汽輪機(jī)聯(lián)軸器斷齒原因分析

張 杰，吳繼權(quán)，邱康勇，賀 艷，曾 雷

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，深圳 518029)

0 引 言

在汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)中，汽輪機(jī)主油泵轉(zhuǎn)動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子主軸之間的重要連接部件為聯(lián)軸器。通常根據(jù)聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)與性能，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器、安全聯(lián)軸器三大類，其中撓性聯(lián)軸器又可分為滑塊式聯(lián)軸器、齒式聯(lián)軸器、鏈條聯(lián)軸器、滾子聯(lián)軸器等類型[1-2]。目前，用在汽輪機(jī)主油泵轉(zhuǎn)動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子主軸之間的聯(lián)軸器主要是齒式聯(lián)軸器。齒式聯(lián)軸器能否正常工作直接影響到汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性及可靠性[3-5]。

2020年，某電廠汽輪機(jī)出現(xiàn)故障，工作人員發(fā)現(xiàn)主油泵不工作，盤動(dòng)汽輪機(jī)主油泵轉(zhuǎn)動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子主軸之間的齒式聯(lián)軸器發(fā)現(xiàn)，主油泵轉(zhuǎn)動(dòng)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，但汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子主軸可以轉(zhuǎn)動(dòng)。將該齒式聯(lián)軸器解體發(fā)現(xiàn)，主油泵側(cè)半聯(lián)軸器的外齒套與內(nèi)齒輪上均發(fā)生過大范圍斷齒，導(dǎo)致外齒套與內(nèi)齒輪不能嚙合，聯(lián)軸器發(fā)生失效，無法傳遞力矩。該齒式聯(lián)軸器材質(zhì)為25Cr2MoV，表面經(jīng)過滲氮處理，該齒式聯(lián)軸器安裝后實(shí)際使用時(shí)間約5 000 h。為降低齒式聯(lián)軸器失效事件再次發(fā)生的概率，減少經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)汽輪機(jī)主油泵側(cè)半聯(lián)軸器進(jìn)行分析，查找斷齒原因。

1 宏觀檢查

汽輪機(jī)主油泵側(cè)半聯(lián)軸器宏觀形貌見圖1。從圖1中可見：該側(cè)半聯(lián)軸器齒數(shù)為38個(gè)；外齒套與內(nèi)齒輪上的輪齒不能相互交錯(cuò)，配合處存在較大間隙；內(nèi)齒輪表面存在三處打磨痕跡，為汽輪機(jī)主油泵側(cè)半聯(lián)軸器安裝過程中,內(nèi)齒輪固定用點(diǎn)焊痕跡。

圖1 汽輪機(jī)主油泵側(cè)半聯(lián)軸器宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of half coupling at main oil pump side of steam turbine

汽輪機(jī)主油泵側(cè)半聯(lián)軸器外齒套與內(nèi)齒輪分離后的宏觀形貌分別見圖2、圖3。從圖中可見：外齒套與內(nèi)齒輪上的輪齒均存在磨損及斷齒現(xiàn)象，并且在外齒套與內(nèi)齒輪的一側(cè)均保留較大的殘齒。由此可以說明外齒套與內(nèi)齒輪并未完全嚙合。根據(jù)主油泵側(cè)半聯(lián)軸器外齒套與內(nèi)齒輪上斷齒情況，外齒套與內(nèi)齒輪上斷裂面相對(duì)平齊(殘留齒較少)的地方應(yīng)為首斷齒。將外齒套與內(nèi)齒輪上的首斷齒截取下來做進(jìn)一步分析。

圖2 主油泵側(cè)半聯(lián)軸器內(nèi)齒輪宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of internal gear of half coupling on the side of main oil pump

圖3 主油泵側(cè)半聯(lián)軸器外齒套宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of outer gear sleeve of half coupling on the side of main oil pump

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

分別從汽輪機(jī)主油泵側(cè)半聯(lián)軸器外齒套、內(nèi)齒輪上截取試樣，經(jīng)清洗、干燥、打磨后，采用臺(tái)式直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分光譜分析，分析結(jié)果見表1。外齒套、內(nèi)齒輪化學(xué)成分光譜分析結(jié)果均符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》[6]對(duì)25Cr2MoV的技術(shù)要求。

表1 化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of chemical composition 單位：%

2.2 金相組織分析

分別在外齒套、內(nèi)齒輪的首斷齒上截取縱截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，試樣金相組織如圖4所示。

圖4 金相組織Fig.4 Metallographic structure

其中，圖4(a)為外齒套上輪齒的金相組織，圖4(b)為內(nèi)齒輪上輪齒的金相組織。外齒套上輪齒的金相組織與內(nèi)齒輪上輪齒的金相組織相同，輪齒外表面到心部組織依次為：最外層為白亮層，次外層即擴(kuò)散層為含氮索氏體，心部組織為索氏體+少部分塊狀鐵素體。

2.3 硬度分析

分別在外齒套、內(nèi)齒輪的首斷齒上截取縱截面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后，置于維氏硬度計(jì)上，沿輪齒表面往心部方向進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見表2。外齒套上輪齒表面硬度與內(nèi)齒輪上輪齒表面硬度大體相當(dāng)；心部硬度結(jié)果也非常接近。其中外齒套上輪齒的硬度最大為756 HV0.3，最小為265 HV0.3；內(nèi)齒輪上輪齒的硬度最大為731 HV0.3，最小為263 HV0.3。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)繪制維氏硬度梯度曲線，見圖5。

表2 輪齒維氏硬度Table 2 Vickers hardness of gear teeth

圖5 維氏硬度梯度曲線Fig.5 Vickers hardness gradient curve

根據(jù)GB/T 11353—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》[7]中硬度法定義并結(jié)合表2及圖5可知，外齒套上輪齒的滲氮層深度大約為0.34 mm；內(nèi)齒輪上輪齒的滲氮層深度大約為0.33 mm。

3 綜合分析

主油泵側(cè)半聯(lián)軸器外齒套、內(nèi)齒輪的化學(xué)成份分析結(jié)果均符合GB/T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)25Cr2MoV的技術(shù)要求。該側(cè)聯(lián)軸器內(nèi)主要金相組織為回火索氏體，組織沒有明顯異常。通過對(duì)主油泵側(cè)半聯(lián)軸器外齒套、內(nèi)齒輪進(jìn)行宏觀檢查，可以判斷出主油泵側(cè)半聯(lián)軸器外齒套、內(nèi)齒輪在工作時(shí)沒有完全嚙合，從而說明聯(lián)軸器在工作過程中，相互接觸的輪齒在單位面積內(nèi)受到的平均作用力更大。主油泵側(cè)聯(lián)軸器外齒套、內(nèi)齒輪上的輪齒經(jīng)過表面滲氮處理，其中外齒套上輪齒的滲氮層深度大約為0.34 mm；內(nèi)齒輪上輪齒的滲氮層深度大約為0.33 mm。結(jié)合圖6，外齒套上輪齒滲氮層內(nèi)外邊緣維氏硬度為756 HV0.3/317 HV0.3，維氏硬度梯度為1291 HV0.3/mm；內(nèi)齒輪上輪齒滲氮層內(nèi)外邊緣維氏硬度為731 HV0.3/316 HV0.3，維氏硬度梯度為1257 HV0.3/mm。由此可見,輪齒滲氮層存在厚度偏小、硬度梯度過大的問題。與此同時(shí)，在聯(lián)軸器安裝的過程中，在內(nèi)齒輪上采用三點(diǎn)電焊進(jìn)行定位，容易造成聯(lián)軸器各齒受力不均，也對(duì)本次聯(lián)軸器斷齒有一定作用。

綜上所述，聯(lián)軸器斷齒原因主要與輪齒自身硬度梯度過大及輪齒受力不均有關(guān)；聯(lián)軸器輪齒表面滲氮處理不充分，造成材料表面滲氮層厚度較薄，使得輪齒上硬度梯度過大，輪齒表面的滲氮層在應(yīng)力作用下破裂、脫落，暴露的基體不耐磨，輪齒發(fā)生斷裂。

4 結(jié) 語

此次汽輪機(jī)用齒式聯(lián)軸器斷齒雖未引起事故，但依然有引起重視的情況。主要存在以下兩個(gè)方面:第一，企業(yè)在采購零部件的過程中，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)使用工況選擇合適的零部件；第二，企業(yè)在更換、安裝零部件時(shí)，不能貪圖一時(shí)方便，應(yīng)嚴(yán)格制定相應(yīng)方案，并將更換、安裝帶來的影響降到最低，同時(shí)落實(shí)監(jiān)督原則，避免零部件安裝不完全。